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1、电 力 系 统 过 电 压 保 护总述部分一、 概念、分类1、过电压：我们把超过额定的最高运行电压称为过电压。电力系统的过电压可分为雷电过电压和内部过电压。由于雷击或雷电感应引起的过电压称为大气过电压；由于电力系统中的开关操作、故障、参数配合不当等内部原因引起的过电压称为内部过电压。内部过电压又可分为暂时过电压（包括工频过电压和谐振过电压）和操作过电压两类。2、 种类： 直 击 雷 过 电 压雷 电 过 电 压 感 应 雷 过 电 压工 频 过 电 压暂 时 过 电 压 谐 振 过 电 压过 电 压 空 载 线 路 分 闸 过 电 压内 过 电 压 空 载 线 路 合 闸 过 电 压操 作 过
2、 电 压 操 作 过 电 压 切 除 空 载 变 压 器 过 电 压中 性 点 绝 缘 系 统 的 间 歇 电 弧 接 地 过 电 压二、过电压保护工作要求：1、了解过电压产生的原因、特性和防止对策；2、掌握保护装置构造、性能和使用方法；3、正确理解过电压保护的方法和要求；4、做好过电压保护装置的运行和管理工作（运行巡视、试验、检修）5、事故分析、研究、提出整改措施；6、做好日常过电压的测量、统计、分析工作，积累经验。三、雷电过电压（一）雷云形成条件1、水蒸气；2、有使水蒸气凝结为水珠的气象和地形条件；3、使气流能强烈持久的上升。气流上升水珠冰雷云（随着气流上升，温度下降，空气冷却）（二）雷云
3、形成 雷电是一种自然现象，雷电放电时，通常表现出雷鸣电闪。雷电放电有两种情况：一种是带电荷的雷云与大地之间的气体放电；另一种是带异号电荷雷云之间的气体放电。从雷电放电所造成的后果来讲，人们更关心的是雷云与地之间的放电。雷云就是积聚了大量电荷的云层。雷雨云是热气流在强烈垂直对流过程中形成的。由于地面吸收太阳的辐射热量远大于空气层，近地面的大气的温度由于热传导和热辐射作用，温度也跟着升高，气体温度升高必然膨胀，密度减小，压强也随着降低，根据力学原理，气体就要上升，上方的空气层密度相对说来就较大，就要下沉。强大的潮湿热气流不断上升进入稀薄的大气层冷凝成水滴，同时强烈的气流穿过云层，使水滴被撞分裂带电
4、。轻微的水珠带负电，被风吹得较高，形成大块的带负电的雷云。大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中，形成一些局部带正电的区域。带有正电荷或负电荷的雷云在地面上感应出大量异极性电荷。这样，在带有大量不同极性电荷的雷云间或雷云与大地之间形成了强大的电场，随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界强度时，就会发生雷云之间或雷云与大地之间的火花放电，放电电流可达几十至几百千安，产生强烈的光，即闪电，并随空气急剧膨胀震动，发生霹雳轰鸣，即雷鸣。（三）雷云放电雷云中的负电荷逐渐积聚，同时在相近地面上感应出正电荷。在雷云与大地之间，当局部电场强度超过大气游离的临界场强时就开始有放电通道自
5、雷云向地面发展，此过程为先导放电。先导放电通道具有导电性，因此雷云中的负电荷沿通道分布，并继续向地面延伸，地面上感应的正电荷也逐渐增多。当先导通道发展临近地面时，由于局部空间的电场强度增大，常出现正电荷的先导放电向天空发展，称为迎面先导。当先导通道到达地面或与迎面先导相遇以后，就在通道端部因大气强烈游离而产生高密度的等离子区，此区域自下而上迅速传播，形成一条高导电率的等离子体通道，使先导通道以及雷云中的负电荷与大地的正电荷迅速中和，形成数值很大的雷电流，这就是主放电过程。雷电的形成先导放电和主放电对应的电流变化如图。先导放电发展的平均速度较低，约为 ，表现出的电流不大，约为数百安。由于主放电的
6、发展速度很51.0/ms高，约为 ，所以出现很强的冲击电流，可达几十至二三百7821.0/s千安。雷电观测表明，雷云对大地的放电通常包括若干次重复的放电过程，每一次都有先导放电和主放电组成，这是由于雷云中可能存在多个电荷中心。这种重复放电之间的间隙时间大约为几十微秒，而重复次数一般为 2-3 次，最多可达 40 多次。（四）雷电的分类雷电按传播方式不同分为：直击雷、感应雷和雷电侵入波(1)直击雷。直击雷是带电的云层与大地上某一点之间发生猛烈的放电现象，称直击雷。直击雷的放电过程为：当雷云接近地面时，在地面感应出异性电荷，两者组成一个巨大的电容器。(2)感应雷。感应雷也称间接雷电感应或感应过电压
7、，亦可以叫做雷电的二次作用。感应雷分为静电感应雷和电磁感应雷两种。雷雨季节空中出现雷云时，雷云带有电荷，对大地及地面上的一些导电物体都会有静电感应，地面和附近输电线路上都会感应出导种电荷，当雷云对地面或其他物体放电时，雷云的电荷迅速流入地中，输电线上的感应电荷不再受束缚而迅速流动，电荷的迅速流动产生感应雷电波，其电压也很高，这种情况下产生的就是感应过电压。(3)雷电侵入波。雷电侵入波是由于雷击而在架空线路或在空中金属管道上产生的冲击电压沿线路或管道的两个方向迅速传播的雷电波。（五）雷电标准冲击波形IEC 标准：1.2/50s (1.5/40 s)实践中。统计表明，波头 22.5s 波长 50s
8、 所以，防雷保护计算中，采用 2.6/50s陡度：雷电流陡度指雷电流随时间上升的速度。雷电流波波头陡度可达50kA/s，平均陡度约为 30kA/s。雷电流波波头时间仅数微秒，设计时一般按 26s 考虑。雷电流幅值:雷电流幅值指主放电时冲击电流的最大值，雷电流幅值可高达数十至数百千安。雷电流幅值越大者出现的概率越小。在年平均雷暴日为 20da 以上的地区，雷电流幅值按下式计算： lg8IP式中 雷电流的幅值，KA；IP出现雷电流幅值超过 I 的概率。对于我国西北、内蒙古等雷电活动很弱的少雷区，可按下式进行计算lg4雷电流的极性：国内外实测结果表明，对地的雷电放电中负极性占绝大多数，约为 75%-
9、90%，加之负极性的冲击过电压波沿线路路传播时衰减小，对设备危害大，故防雷设计时一般按负极考虑。(六)雷电放电计算模型（彼得逊等值电路） 彼得逊法则：线路波阻抗用数值相等的集中参数电阻代替；把线路上的入射电压波的两倍作为等值电压源。i=2i0z0/z+ z0 z0雷电通道波阻抗（300 欧姆） 、U0、I0 则是从雷云向地面传来的行波的电压和电流；Z 为被击物的阻抗。定义中的雷电流 i 恰好等于通过通道雷电流 i0的 2 倍避雷器（放电器）对于发电厂、变电所来讲，可以安装避雷针（线）使它们免受直击雷击。但是长达数十、数百公里的输电线路，虽然有避雷线保护，但由于雷电的绕击和反击，仍不能完全避免输
10、电线上遭受大气过电压的侵袭，其幅值可达一、二百万伏。此时电压波还会沿着输电线侵入发电厂或变电所，直接危及变压器等电气设备，造成事故。为了保护电气设备的安全，必须限制出现在电气设备绝缘上的过电压峰值，这就需要装设另外一类过电压保护设备，避雷器。避雷器与被保护电气设备的绝缘相并联。当出现过电压时，避雷器先于被保护设备放电。由于避雷器的放电，强大的冲击电流泄入大地；短暂的过电压作用结束后，工频电流将沿原冲击电流通道继续流过，此电流称为工频续流，所以避雷器还应能迅速切断工频续流，才能保护电力系统的安全运行。1、分类保护间隙 阀型避雷器 排气式避雷器 金属氧化物避雷器。保护间隙和排气式避雷器主要用于配电
11、系统，线路和发、变电所进线段的保护，以限制入侵的大气过电压；阀式避雷器和金属氧化物避雷器用于变电所和发电厂的保护，在 220KV 及以下系统主要用于限制大气过电压，在超高压系统中还将用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。2、基本要求 （1） 雷电击于输电线路时，过电压波会沿着导线入侵发电厂或变电所，在危及被保护绝缘时，要求避雷器能瞬时动作。（2）. 避雷器一旦在冲击电压作用下放电，就造成对地短路，此时瞬间的雷电过电压虽然已经消失，但工频电压却相继作用在避雷器上，此时流经间隙的工频电弧电流，称为工频续流，此电流将是间隙安装处的短路电流，为了不造成断路器跳闸，避雷器应当具有自行迅速截断工频续流，
12、恢复绝缘强度的能力，使电力系统得以继续正常工作。（3）. 应当具有平直的伏秒特性曲线，并与被保护设备的伏秒特性曲线之间有合理的配合，这样，在被保护物可能击穿以前，避雷器就发生动作。（4） 避雷器动作以后，在规定的雷电流通过时，不应损坏避雷器，同时在避雷器上造成的压降残压应低于被保护物的冲击电压。3、间隙保护间隙又称角式避雷器，由主间隙和和辅助间隙串联而成。辅助间隙是为了防止主间隙被外物短路误动作而设。主间隙的两个电极做成角形，可以使工频续流电弧在自身电动力和热气流作用下易于上升而自行熄灭。优点：结构简单，制造方便。缺点：（1）灭弧能力低，在中性点有效接地系统中一相间隙动作或在中性点非有效接地系
13、统中两相间隙动作后，流过保护间隙的工频续流就是电网的短路电流。对于这种续流电弧，保护间隙一般是不能自行熄灭的，容易造成接地或短路故障，引起线路开关跳闸或熔断器熔断，造成停电。因此，保护间隙一般只用于不重要的和不会造成严重后果的场合，例如低压配电网以及中性点非有效接地电网。（2）伏秒特性陡，与被保护设备的绝缘配合不理想，并且动作后会形成截波。3、排气式避雷器 排汽式避雷器实质上也是放电间隙，只不过其熄弧能力比放电间隙强。（1）结构有两个间隙，在大气中的间隙称为外间隙，外间隙的作用是隔离工作电压以避免产气管被工频繁电流烧坏；另一个间隙装在管内称为内间隙或灭弧间隙。电极一端为棒形，另一端为环形。管由
14、纤维、塑料或橡胶等产气材料制成。（2）作用原理当排汽式避雷器受到雷电波入侵时，内外间隙同时击穿，雷电流经间隙流入大地过电压消失后，内外间隙的击穿状态将由导线的工作电压所维持，此时流经间隙的工频续流就是排气式避雷器安装处的短路电流工频续流电弧的高温使管内产气材料分解出大量气体，管内压力升高，气体在高压力作用下由环形电极的开口孔喷出，形成强烈的纵吹作用，从而使工频续流在第一次经过零值时就熄灭。排汽式避雷器的熄弧能力与工频续流大小有关，续流太大产气过多，管内气压太高将造成管子炸裂；续流太小产气过少，管内气压太低不足以熄弧。故排气式避雷器熄灭工频续流有上下限的规定，通常在型号中说明。如，minaxeU
15、GXSI是额定工作电压。显然，排气式避雷器安装点的系统最大与最小短路电流要分别小于和大于排气式避雷器的e上下限。（3）缺点一是伏秒特性较陡，不易与被保护设备配合；二是动作后都形成截波，不利于绕组的纵绝缘。因此排气式避雷器只用于输电线路个别地段的保护，加大跨距和交叉档距处，或变电所的进线段保护。4、阀式避雷器由于保护间隙和排气式避雷器存在上述缺点，所以在变电所和发电厂大量使用阀式避雷器，它相对于排气式避雷式来说在保护性能上有重大改进，是电力系统广泛采用的主要防雷保护设备，它分普通型和磁吹型两大类，它们的区别在于火花间隙不同。普通型的有 FS 和 FZ 型，磁吹型有 FCZ 和 FCD 型。组成结
16、构：由封装在密封瓷套中的火花间隙组和非线性电阻组成。（1）普通阀式避雷器普通阀式避雷器的火花间隙由如图 415 所示的许多单个短间隙串联而成。间隙的电极由黄铜材料冲压成小圆盘状，中间以云母垫圈隔开，间距为0.51mm。由于电极间电场接近均匀电场，而且在云母垫圈与电极接触处的薄层气隙中当未达到间隙放电电压时就因场强大而产生局部放电，对间隙提供了光辐射缩短了间隙的放电时间，因此间隙的伏秒特性比较平缓，放电分散性也较小，有利于与被保护设备绝缘之间的伏秒特性配合。单个火花间隙工频放电电压约为 2730kV(有效值)，其冲击系数为 11 左右。一般上若干个火花间隙形成一个标准组合件，然后再把几个标准组合件串联在一起，就构成了阀式避雷器的全部火花间隙。这种结构方式的火花间隙除了伏秒特性较平缓外，还有另一方面的好处，就是易于切断工频续流。避雷器动作后，工频续流电弧被火花间隙
